互补金属氧化物半导体（Complementary metal oxide semiconductor, CMOS）图像传感器已成为空间光电探测领域的核心器件，在对地遥感、空间目标探测、天文观测任务中发挥着不可替代的作用。空间带电粒子作用于图像传感器产生累积辐射损伤效应（电离总剂量效应、位移损伤效应），可导致器件成像性能退化，影响光电载荷的探测能力。已有研究对累积辐射效应有了较清晰的认识，但是对短期在轨受辐射影响出现的热像素和随机电报信号（Random telegraph signal, RTS）缺乏深入认识。热像素的暗电流比普通像素高，在暗背景下体现为“亮点”，RTS像素是辐照后暗电流随时间随机跳变的像素，二者属于单个像素退化问题。以往对累积辐射效应的研究主要关注平均暗电流和量子效率等参数的退化，相应参数在较高的辐照注量下才会发生显著退化，对高分辨率对地遥感等成像应用产生影响。而单个像素退化在低注量条件下已开始明显，热像素和RTS像素随机产生、随机跳变的特点会导致像素间和像素内响应差异明显，给暗背景下弱光目标探测带来不确定性，影响目标的探测与识别。目前单个像素退化研究中存在的问题在于没有建立测试表征方法，对其产生规律和物理机理尚不清楚，对导致单个像素退化的微观缺陷认识存在不足，无法为星用图像传感器的空间辐射效应评估及在轨抑制提供支撑。针对上述问题，本论文以航天用CMOS图像传感器为研究对象，首先建立了单个像素退化的测试表征方法，然后通过不同条件辐照试验、参数测试以及数学建模等手段获得了单个像素退化的规律，在上述研究基础上，结合退火试验和激活能测试等手段实现了缺陷的测试表征，阐明了辐射导致单个像素退化的物理机理。论文的主要研究结果如下：（1）热像素和RTS像素研究非常依赖测试条件和检测算法，且RTS像素试验数据量大、计算非常耗时，导致单个像素退化的测试表征方法尚未建立。本论文探究了积分时间、工作温度、采图时长、采图频率与测试结果的关系，确定了热像素和RTS像素测试条件。建立了可准确提取RTS像素特征参数的检测识别方法，实现相关算法与软件，解决了电离总剂量效应产生的RTS像素无法检测、多台阶RTS像素特征参数无法提取以及RTS像素重建不准确的问题。（2）辐照产生热像素的规律与器件种类、工艺参数、工作电压等多种因素相关，其物理机理比较复杂。本论文通过对比热像素和普通像素的差异及进行不同条件下热像素测试，获得了热像素产生规律：热像素是功能正常的像素，热像素会对长曝光、弱光条件下的应用产生严重影响。辐照条件、测试条件对热像素的影响表现为热像素平均亮度发生变化，建立数学模型可预估热像素平均亮度。通过激活能测试和理论分析，阐明了热像素是由靠近禁带中央的团簇缺陷产生的。（3）电离总剂量效应和位移损伤效应都会产生RTS像素，但是两种RTS缺陷不同，导致二者的表现形式、产生机制、抑制措施不同。本论文通过对比RTS像素特征参数及开展不同条件下RTS像素测试，获得了图像传感器RTS像素产生规律：位移效应相关的RTS像素具有跳变幅度大、跳变频率高、跳变情况复杂的特点，总剂量效应相关的RTS像素特点与之相反。相比于总剂量效应产生的RTS缺陷，位移效应产生的RTS缺陷更加复杂，表现形式更加丰富。通过工艺优化、工作点设置可以有效减少总剂量效应产生的RTS像素，位移效应产生的RTS像素主要通过降低工作温度、升温退火等方式进行抑制。（4）适用于微电子器件的RTS效应理论无法解释图像传感器RTS像素试验现象，热像素与RTS像素的关系尚不清楚。本论文采用单个像素追踪技术研究了多台阶RTS像素产生规律和形成方式，结合器件基本工作原理，揭示了图像传感器RTS像素是缺陷结构波动导致的，与电荷态波动无关。证明了热像素和RTS像素在试验规律和缺陷行为方面存在联系。试验方面的联系表现为暗电流水平越高的像素越容易成为多台阶RTS像素，越热的热像素和台阶越多的RTS像素越容易退火。二者对应的缺陷都是团簇缺陷，结构越复杂的团簇缺陷越容易表现出亚稳态特性，同时结构越复杂的团簇缺陷越不稳定，越容易退火。本论文的创新点在于：建立了适用于光电成像器件RTS像素测试表征方法，获得了图像传感器单个像素退化规律，阐明了单个像素退化的物理机理，为深入认识团簇缺陷提供了更多有价值的试验证据，相关研究结果为星用图像传感器空间辐射效应评估以及加固设计提供理论与技术支撑。